（机械工程专业论文）汽车液位传感器外壳模具设计及拉深过程研究.pdf

摘要 未来的汽车用传感器技术，总的发展趋势是微型化、多功能 化、集成化和智能化。为满足加工工艺的要求，实现外壳的微型 化、轻量化和高强度加工，很多的实验方法被实践来进行生产应 用。 本文研究了某传感器外壳的加工工艺，以及整套模具的设计 过程。并在设计的基础上，进行有限元的数值模拟，对加工工艺 进行了进一步的验证，对现生产提供了指导意义。利用金属塑性 理论的原理对板料的成形过程中的变形过程进行了分析，利用 d y n a f o r m 软件的成形极限图( f l c ) 分析，为模拟过程和实际生 产的变形情况进行了解释。并为进一步解决实际加工中的同类加 工问题提供了可值借鉴的理论和实践指导。 关键词：传感器外壳有限元分析d y n a f o r m 拉深 a b s t r a c t m i c r o m a t i o n ，m u l t i f u n c t i o n ，i n t e g r a t i o na n di n t e l l i g e n t i z a t i o na r et h e t e n d e n c i e so ft h es e n s o rt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t i no r d e rt o m e e tt h ed e m a n do f m a n u f a c t u r i n g ，l i g h t w e i g h t a n d h i g h - s t r e n g t h m a n u f a c t u r e ，m o r ea n dm o r ee x p e r i m e n tw a y sa r ea p p l i e di nt h ep r o d u c e l i n e s o n ek i n d o fs e n s o rs h e l lm a n u f a c t u r et e c h n i q u ea n dt h em o l d sd e s i g n i n g c o u r s ea r ei n v e s t i g a t e di nt h et i t l e b a s e do nt h ed e s i g n i n g ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss i m u l a t i o nt e s t st h em a n u f a c t u r et e c h n i q u em o r e ，a n da l s og u i d a n c e t h ep r o d u c t i o nw o r k m e t a lp l a s t i c st h e o r ya n df l c ( f o r m i n gl i m i t e dc h a r t ) i nt h ed y n a f o r ma r eu s e dt oa c c o u n tf o rt h ef o r m i n gc o u r s ei nt h e d r a w i n g i nt i m e ，a n dp r o v i d et h es a m ek i n d so fm a n u f a c t u r et h i n g sw i t h t h e o r yu s e df o rr e f e r e n c ea n dg u i d a n c ei nt h ep r a c t i c e s k e yw o r d s ：s e n s o rs h e l l f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sd y n a f o r md r a w - i n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一。现代汽车正由一 个单纯交通工具朝着能满足人类需求和安全、舒适、方便及无污染 的方向发展。当前，汽车电子已成为汽车工业发展的核心技术，据预 测，未来汽车电子产品的费用将占整车费用的3 0 ，并认为汽车上 7 0 的革新将来源于汽车电子。近2 0 年来，世界汽车电子产品的开 发和应用已广泛用于汽车的各个独电子控制系统，并正向着可完成 汽车各种功能的综合电子控制系统发展。同时，汽车电子产品也向 完成单个汽车控制扩展到“汽车一人一公路一环境”的系统信息交 流和控制的方向发展在汽车电子产品中，传感器已成为关键的基础 配套产品。2 0 世纪末期，为了实现可持续发展战略，发达国家对汽 车工业提出的新要求，促进了传感器应用和技术的快速发展。传感 器的研发和生产单位采用新材料和新的加工技术开发和生产新一 代的传感器及系统，满足汽车工业的需求。 1 2 汽车传感器发展趋势 未来的汽车用传感器技术，总的发展趋势是微型化、多功能化、 集成化和智能化利用微电子机械加工技术将微米级的敏感元件、 信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上，它具有体积小、价 格便宜、可靠性高、工作寿命可达到1 0 6h 等特点，并且可以明显 提高系统测试准确度。已开始逐步取代传统传感器p h i l i p se 1 e c t l o n i c s 公司和c o n t i n e n t a l t r e v e s 公司在1 0 年内已销售1 0 亿 只用于汽车a b s 系统的传感器芯片。两个公司共同开发有源磁场传 感器的前瞻性技术，产品已应用世界上最新的轿车上。c o n g i n e n t a l 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 t r e v e s 公司用这种磁阻式转速传感器制作了轮速传感器。用于a b s 系统，防滑系统等传感器是信息系统的第一道门坎，担负着采集( 摄 取) 信息的任务。传感器技术与通信技术和计算机技术己成为现代 信息技术的三大支柱，是信息产业的重要基础工业。8 0 年代以来， 全球的传感器技术取得了迅速发展，发达国家均已形成传感器产业， 通用传感器实现了规模经济生产，产品系列化。已广泛应用于国民 经济各个领域随着微电子技术、光电子技术的迅速发展和工艺 成熟，促进了微传感器、智能传感器、m e m s 器件等新一代先进传感 器的发展，这必将对2 i 世纪传感器的广泛应用带来了新的市场机 遇。随着汽车开发研究的深入，不仅要对汽车的性能行有效的检测， 同时，还要能够对汽车施加以相应的控制策略，以得到期望状况下 的汽车响应，来研究分析车的设计效果和性能。因此，在原有汽车测 试系统基础上，还需要具备对被测设备的控制能力。 1 3 课题研究的主要内容 油箱液位传感器是将油箱内的油液高度通过机械元件( 浮 子) 随液的升降而升降的机械信号转变成电信号，再将此电信号 转变成机械信号并显 图l i 油箱液位传感器本体零件 示于驾驶室内的油量表上。要求浮子随液位的变化做出准确的反 映，同时机械信号与电信号之间的相互转换不能失真。因此，要 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 求传感器零件具有一定的精度与质量。图l 一2 为原理图 图l 一2 油箱液位传感器工作原理框图 本课题的任务是为图1 一l 中的圆筒件设计模具，其中包括以下 几个过程： 1 制定工艺过程：根据零件的形状以及测绘所得数据制定几 套工艺： 2 工艺优化过程：从操作方便性、经济性以及用尽量少的工序 的原则从几套工序中选择一套比较合适的工序： 3 模具设计过程：对几套工序设计模具，画出草图，然后用 a u t o c a d 画出装配图、零件图； 4 数值模拟过程：对拉深过程进行数值模拟，并对塑性变形 分析。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 第二章零件工艺设计及模具设计 2 1 零件功能和质量分析 2 1 1 零件外观尺寸 对零件进行测绘，在本次测绘中，主要用的测量工具是电子游 标卡尺，主要数据如下： 表2 1零件尺寸参数 名称直径m m高度m m厚度m m 项目 圆筒 8 03 9 镦压 6 6 1 翻边孔1 1 4 8 0 3 翻边孔2 l o 1 02 翻边孔3 7 2 62 边缘小孔42 测绘后的零件如图2 1 所示，图2 2 部分为侧壁展开图， 显示了面各裁形状和位置关系。 2 1 2 零件功能分析和编制零件质量要求 本课题所研究的零件为油箱液位传感器本体零件，其底面上 的4 个翻边孔与油管配合，壁缘的4 个小孔为漏油管，侧壁中间 的孔与油管配合，而剩下的4 个孔为锁紧装置。 1 直径0 1 5 、m 1 0 和7 四个尺寸是与油油配合的主要尺寸， 要求一定的公差，即d 1 5 + 0 0 2 ， 1 0 + 0 0 2 ， 西7 + 0 0 2 ； 2 漏油孔，因为只要达到漏油目的即可，所以精度要求低； 3 锁紧孔精度要求不高。 4 保证翻边孔、漏油孔与侧壁孔的相置关系。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 5 冲压过程应防止零件起皱。 麓器 裂 ；_ 而二 图2 1 零件测绘图 图2 2 零件侧面展开图 2 2 计算毛坯尺寸和确定工艺方案 2 2 1 计算毛坯尺寸 ( 1 ) 本零件是用一圆形钢板拉深为一筒形件后在其上冲几个 孔所成，所以，毛坯直径应由拉深工艺决定，如表2 3 所示为计算 参数值： 所需毛坯面积： 辽宁工程技术大学硕士学位论文6 z a = h l + a2 + a ，= 1 8 1 1 9 ( r a m2 ) ( 2 1 ) 毛坯直径 d = ( d 一2 r ) 2 + 2 ( d - 2 r ) 2 + 8 r 2 + 4 d ( 啊一r ) ( 2 2 ) ( 2 ) 翻边孔尺寸的计算 平板毛坯上的圆孔翻边 d = o 一( h 一0 4 3 r 一0 7 2 t )( 2 - - 3 ) h = ( d d ) 2 + 0 4 3 r + o 7 2 t ( 2 4 ) 其中：d - 预制孔直径m m d 一翻边后竖边直径m m h 一翻孔后竖边高度m m r 一圆孔半径m m t 一料厚m m k 一翻空系数m m 经计算得出毛坯展开工艺参数，如表2 2 所示 表2 - - 2 毛坯展开工艺参数 名称 d a i a 2 a 3 a d i d 2 d 3 数值( r a m ) 13 59 7 9 67 6 84 4 6 1 1 8 1 1 9964 2 2 2 确定工艺方案 工艺方案流程要合理，模具较少，降低制造费用。根据以上分 析和计算，可以进一步明确本零件的加工方案： 方案：落料冲孔复合专拉深专镦压寸翻边一冲裁。 2 3 计算工艺力、选设备 a 落料冲孔工序 p = 冗d t a6 + 4 7 t t i d i o j + 2 r i d2 t2 06 + t t d3 t3 c r6 + n d t o6 = 3 9 0 0 0 0 n ( 2 5 ) 其中：p - 落料冲孔力n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 o 。一材料抗拉强度p a 卸料力 p = k x p = 1 5 6 0 0 n ( 2 6 ) 其中：k 一卸料力系数 p 一落料冲孔力n b 拉深工序 p = 7 c d t o k = 2 4 9 0 0 0 n ( 2 7 ) 其中：k - 拉深系数 以下的工序所需的压力会比这两者小，在最好用同一种压力机 的原则下，所以根据落料拉深工序的所需压力来选择压力机。通过 各种参数，选择4 0 0 k n 开式压力机，最大封闭高度为3 0 0i l l m 。 2 4 成形模具的设计 2 4 1 落料冲孔复合模的设计 2 4 1 1 凸凹模的选择 在本道工序中，除了要落料外，还需要冲8 个小孔，如果采用 一个大凸模，然后再在其上加工出8 个小凸模，如图2 3 示： 多 图2 3 大凸模 这种结构有以下几个弊端： 加工比较困难，大凸模尺寸比较大，在上面加工非常小的突起 会较困难。卸料时会存在困难，压力机回程后，料会存在于凸模 中狭小的夹缝中，由于不好装卸料板，所以卸料比较困难，故不采 用此种结构。所以，采用小凸模然后再镶嵌的结构。小凸模采用阶 梯轴形式，如图2 4 所示： 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 图2 - - 4 阶梯轴凸模 所有的凸模结构及尺寸如图2 - - 5 所示： ( 有1 个)( 有1 个)( 有2 个) 图2 5 凸模结构 2 4 1 2卸料装置的选择 在本套装置中，上下两个方向都需要卸料装置。卸料装置也有 刚性和弹性两种形式，见下图2 6 。此外，废料切刀也是一种卸料 形式固定卸料板见图2 6 a 所示，此形式卸料力大，但无压料作 用，毛坯材料厚度大于0 8 m m 以上时采用。刚弹性卸料板见图2 6 b 所示，此形式卸料力量小，但有压料作用，冲裁质量较好，多用于 薄料。对于卸料力大、卸料板与凹模间又要求有较大的空间位置时， 可采用刚性卸料装置，见图2 6 c 。卸料板和凹模的单边间隙一般取 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 0 卜0 5 a m ，但不小于0 0 5 m m 。 ( a ) 弹性卸料板( b ) 刚弹性卸科板( c ) 刚性卸料板 图2 6 卸料板形式 2 4 1 3弹簧的选择 作为冲模卸料用的弹簧，是属于标准零件。标准中给出了弹簧 的有关数据和弹簧的特性线，设计模具时只需按标准选用。一般选 用弹簧的原则，应该是在满足模具结构要求的前提下，保证所选用 的弹簧能够给出要求的作用力和行程。为了保证冲模的正常工作， 在冲模不工作时，弹簧也应该在预紧力p 。作用下产生一定的预紧量 f 。，这时预紧力应为 po p n ( 2 8 ) 为保证冲模正常工作所需的弹簧最大压紧量e f 为： e e l fo + f + f 1( 2 9 ) 式中p 。一弹簧预紧力n p 一工艺力即卸料力、推件力n n 一弹簧根数 f 一弹簧最大许用压缩量m m f 。一弹簧预紧量 f 一工艺行程，应根据该副模具所完成的工序而定； f 1 一余量，主要考虑模具的刃磨量及调整量，一般取 5 1 0 m m 强力弹簧适用于弹力大、行程长的模具结构和体积小、弹力大 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 0 的机械产品，考虑到制造方便，可用5 0 c ，v ( 6 5 w n ) 扁圆钢丝绕制而 成，热处理硬度为h r c 4 5 + 3 。选用h 3 7 型5 0 万次的查表知， 表2 3 强力弹簧参数 项目 fjho h ，h h 瑶+ ht 椎+ h 佳鹰 参数值 3 4 5 06 31 5 81 1 91 5 8 h 预+ h 工作+ h 酱磨= i i 9 + 1 - 8 + 2 = 1 5 7 hj = 1 5 8 ( 2 1 0 ) 所以，采用的强力弹簧适合的。 2 4 1 4 模柄的选择 模柄有三种形式，如图2 - - 7 示。 囊 。曩c 蠢冀奈妒 一皿施 翅零 图2 7 模柄形式 在本套模具中，选用b 型模柄b 4 0 x 8 5 型。 2 4 1 5模座的选择 如图2 8 ，本模具结构比较复杂，体积比较大，根据落料直径 1 3 5 ，选择后侧导柱模架。选用规格如下表所示。 表2 4 模座选用规格 名称上模座下模座导柱导套 规格 2 0 0 2 0 0 4 52 0 0 x 2 0 0 5 03 2 1 9 03 2 1 0 5 x 4 3 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ，日嗡瞳崎l 船 hi p 一 斧，擀矗 ”嚣 w ， 每 0 ，7 ， m l ，所以可一次拉深成形 2 4 2 3 拉深模具结构设计 图2 9 拉深模结构 本次用如图2 9 所示的拉深倒装式模具。模座下的缓冲器 兼作压边与顶件，另设有弹性卸料和刚性推件装置。这种结构的 优点是操作方便，出件畅通无阻，生产率高，缺点是弹性卸料装 置使模具结构较复杂，特别是拉深深度大、料较厚、卸料力大的 情况，需要较多、较长的弹簧，使模具结构复杂 在本工序中，要确保拉深在坯料中心进行，所以要对坯料进行 定位。在坯料中心有2 个西6 的圆孔，所以在拉深凸模上加工2 个m 6 的 突起，高度为2 m m 。 2 4 2 4 凸、凹模工作部分的尺寸 ( 1 ) 凹模圆角半径r 。 r 。与毛坯厚度、零件的形状和拉深方法等有关，可查设计资料 确定，也可按卡契马列可经验公式计算 r 棚2 0 8 ( d 一仍弦( 2 1 6 ) 或r 以2 c i c2 t ( 2 1 7 ) 式中：d 一毛坯直径m m dd 一凹模内径m m t 一材料厚度m m c 一考虑材料力学性能的系数 c ：一考虑材料厚度与拉深系数的系数 以后各次拉深的凹模圆角半径可逐渐缩小，一般可取 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 r = ( 0 6 - 0 8 ) r 由- i ，不应小于2 t 。 本凹模的圆角半径为r 。= 1 4 m m 。 ( 2 ) 凸模圆角半径 除最后一次应取与零件底部圆角半径相等的数值外，其余各次 可以取与rd 相等或略小一点。在此取凸模圆角半径r 。= 1 4 m m 。 ( 3 ) 凸、凹模间隙c 决定间隙c 时，不仅要考虑材质和板厚，还要考虑工件的尺寸 精度和表面质量要求。不用压边圈时，c = ( 卜1 1 ) t 一，有压边圈时， c 5 t + k t 式中t 一一材料最大厚度m m k 一间隙系数 在此间隙为c = 2m m 。 ( 4 ) 凸凹模尺寸及制造公差 最后一道拉深模的尺寸公差决定了零件的尺寸精度，故其尺 寸、公差应按零件要求来确定。 凹模尺寸dj = d + 山 凸模尺寸d ，2 ( d 一2 c ) 。 凸凹的制造公差按i t 6 - i t 9 级选取。 d d - - 8 0 + 0 0 8 d p = 7 6 - o m 。 2 4 2 5 闭合高度和模座的选择 本套模具的闭合高度为h = 2 2 0 m m 。模座的选择与落料冲孔模的 一样 表2 5 拉深模模座规格 名称上模座下模座导柱 导套 规格 2 0 0 x 2 0 0 x 4 52 0 0 2 0 0 5 0 3 2 x 1 9 03 2 x 1 0 5 4 3 2 4 3 镦压模的设计 本套模具要将拉深圆筒底都向里压1 m m ，模具结构简单，类似 辽宁工程技术大学硕士学位论文 于拉深模。 2 4 3 1 凸凹模的尺寸 圆筒的底部下压部分的尺寸为m 6 6 m m ，而凹模的尺寸为西7 6 m m ， 它们的公差尺寸为：凹模尺寸d d = 7 6 + 0 0 8 ，凸模尺寸d 。= 6 6 - 0 0 5 。 2 4 3 2 卸料装置及方式 本套工艺的卸料很简单，如果工件在凸模上，则可用工具轻敲 即可将工件卸下；如果工件落在凹模上，本凹模在制造过程中已将 其下部直径作小，即在下部筒壁与凹模之间有一空隙，用钳子夹出 即可 2 4 3 3 模座的选择 在本套工艺中，工件直径较小，模架采用另一种形式，如图2 1 0 。 詹 t s + 石燃蚴 榉 u 、” 7 。撼 1 i l 州一 钊 k 工x 舶锄l 卜叫叫l 膨 f ，意镰渤辩 #专 幺丝i “， - 貂j j j 1 粥。| 建 譬 夥z0 卜叫l 詹n 上模座下模座 图2 1 0 模座结构 表2 6 镦压模模座规格 箕条矿 名称上模座下模座 导柱 导套 规格1 2 5 8 0 3 01 2 5 8 0 4 02 0 1 1 0 2 0 x 7 0 2 8 2 4 3 4 模柄选择及闭合高度 本套模具中，模柄选b 3 0 x 6 4 型，闭合高度为h = 1 5 5 m m 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 2 4 4 翻孔模的设计 在本套工序中，要将筒底部的4 个孔进行翻孔。 翻孔，即孔的翻边，是在预先打好孔的毛坯上( 有时也可不预 先打孔) ，依靠材料的拉深，沿一定的曲线翻成竖立凸缘的冲压方 法。 2 4 4 1 毛坯计算 平板毛坯上的圆孔翻边，由于翻边时材料主要是切向拉伸，厚 度变薄，而径向变形不大，因此，在毛坯计算时可根据弯曲件中性 层长度不变的原则近似的求出预制孔尺寸。 翻边高度不大时，可将毛坯一次翻边成型。按下列公式计算 do = d 广 石( r + to 2 ) + 2 h l 】( 2 4 ) 式中d 。一圆孔的初始直径m m d 一翻边后的圆孔直径m m to 一毛坯厚度m m h 一翻边高度m m 2 4 4 2 翻边凸凹模的设计 设计时，翻边凹模圆角对翻边成型影响不大，可按零件圆角确 定。一 般情况下，平底凸模的圆角半径r ，应尽量大一些，r ， 4 t 为了改 善翻边成形时的塑性流动条件，可采用抛物形凸模或球形凸模。图 2 1 l 是常用的圆孔翻边凸模形状，其中： a ) 可同时用于冲孔和翻边( 竖边内径d 1 0 m m 的翻边； d ) 可在不用定位销时对任意孔翻边。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 喝黑 理零 妒盱谚 ( 2 个) ( 1 个)( 1 个) 图2 一1 2 翻边凸模结构 最后，将4 个凸模镶拼起来。 2 4 4 3 翻边模具形式 本套工艺中采用凸模在下，凹模在下形式。如图2 1 3 所示， 工作时将零件放在4 个凸模上( 将4 个小孔对准4 个凸模放上) ，凸模 不动，凹模下行，将工件翻边成形。然后，凹模上行，下部采用弹 压式卸料板卸料，上部采用3 个卸料块卸料弹簧仍然采用强力弹 簧。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 8 l $ - - 上毫3 一目曩一鼍井t h 抒h 簧，下簟a l l 一6 羹 一凸曩定叠l e - - $ 荐u - - i l s t l l 1 2 - 图2 1 3 翻边模 2 4 4 4 模座的选择和闭和高度 本套模具中，模座与镦压模具的一样。 表2 7 翻边模座规格 名称上模座下模座导柱 导套 规格1 2 5 8 0 3 01 2 5 8 0 x 4 02 0 1 1 02 0 7 0 2 8 闭合高度h = 1 5 5 m m 。 2 4 5 冲裁模的设计 在这次工艺中，我们要在圆筒的侧壁冲3 种形状的孔，其中有 两种形状有2 个孔。 1 第一种要冲裁的形状如图2 1 4 装管子的圆孔也是要冲裁 的对象。这个孔在侧壁上，如果采用上下冲裁的形式，则需采用悬 臂梁式冲孔模。凹模装在悬臂的支架上，这种模具结构简单，一般 在小批量或成批生产中采用。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 图2 1 4 冲裁形状 这种模架结构如图2 一1 5 所示 图2 一1 5 悬臂梁式冲孔模 孔的位置是确定的，在这里，采用圆筒底部的大孔定位，在悬 壁梁上焊上一个科5 的小圆柱即可达到定位的作用。工作完成后， 将工件脱下，废料自动落下。 2 第二种要冲裁的形状图2 1 6 所示： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 蚓2 1 6 冲裁形状 上图为一高5 毫米，弦长l o 毫米的侧壁。在直径方向的另一端 还有同样的一个。本模具的形状与第一种的基本差不多，只是在定 位上有很大不同。这两个孔跟底部的任何一孔都不对称，如果仅仅 因为定位问题而再制一套模具的话，从经济上考虑是很不合适的。 在这里，我们将这样处理：用 1 0 的孔定位，在悬臂梁的端部刻出 螺纹，再做一个0 1 0 底部有螺纹的定位销。工作时，先将定位销拧 在一个位置冲孔，将一批零件干完后，将定位销拧下，再将它拧到 另一个位置，再冲另一个孔工作完成后，将工件脱下，废料自动 落下。 3 第三种要冲裁的形状如图2 - - 1 7 所示 图2 1 7冲裁形状 这种形状比较复杂，在一条直径上有两个。在这套模具中还是 定位的问题，这两个孔在位置上跟第二种的两个孔是对称的，故可 采用这两个孔定位。模具形状如图2 一1 8 ：工作时，将工件套在悬 臂梁上，转动工件，当定位销插入孔中后，冲第一个孔，然后，转 动工件，当定位销插入第二孔中后，再冲第二个孔工作完成后，将 工件脱下，废料自动落下。 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 1 2 5 模具装配图 图2 1 8悬臂粱式冲孔模 弋时| 17专 。阚瓣 黼搽湖 湖汹闷 昝黏震 l 必 缓 崖重藿ki ；魇 霪蔺蓁霾 ii 缯澜 i阑阏 i 图2 1 9 落料冲孔模 辽宁工程技术大学硕士学位论文 本模具可完成落料、冲孔两道工序。条料送进时，由带导尺的 固定卸料板卸料。冲首件以目测定位，待冲第二件时，则用挡料销 定位。模具工作完成后，采用弹性卸料板卸料。 图2 2 0 拉深模 本模具可完成拉深工序。由条料上的两个孔定位。模具工作 时，由压力气垫压边。工作完成后，打杆和推件块起作用，把工件 从凸凹模中推出。 图2 - - 2 1 镦压模 辽宁工程技术大学硕士学位论文 本模具将筒底下压1 毫米工作完成后，用夹具将工件夹出。 图2 - - 2 2 翻边模 本模具完成翻边工序。采用工件上的两个孔定位。工作完成 后，由卸料板和卸料块卸料。 图2 2 3 冲裁模 辽宁工程技术大学硕士学位论文 本模具为悬臂式冲孔模。凹模装在悬臂的支架上，这种模具结 构简单，操作简便。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 第三章板材性能参数与成形性的关系 板材性能参数与拉深件的冲压成形性存在着密切的关系。衡 量板材性能的参数有很多，但任何一个参数都有它自己的应用范 围，只能反映板材进行某种或某几种性质的成形时的性能，而不 能反映板材所有的成形性能。 3 1 拉伸试验性能参数与冲压成形性的关系 3 1 1 屈服强度o 。 当板材在拉力的作用下成形时，材料的屈服强度口，越小，越 容易屈服，变形抗力小，产生相同的变形所需的变形力就小。同 时，口越小的材料在塑性变形后的贴模性能和形状冻结性能都比 较好，有利于提高成形件的形状精度。 3 1 2 屈强比0 o 屈强比对板材冲压成形性能有着重要影响，较小的屈强比对 绝大多数的成形是有利的。 板材在进行拉深、缩口等成形时，由于材料的屈强比小，变 形区较容易进入塑性变形状态，而传力区却不容易产生破裂，从 而可以提高成形极限同时，屈强比小的材料在拉深成形时，法 兰部分在压应力作用下容易进入塑性变形状态而不易起皱，从而 可以减小压边力及摩擦损失，也降低了塑性变形力，使极限拉深 系数减小 3 1 3 均匀延伸率6 ( 和均匀应变e ，) 占，表示板材产生均匀的或称稳定的塑性变形能力，它直接决 定板材在伸长类变形中的冲压性能。占。问接地表示伸长类成形的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 极限变形程度( 如翻边系数、扩1 ：3 系数、最小弯曲半径、胀形系 数等等) 3 1 4 硬化指数n 硬化指数打值表示在塑性变形中材料硬化的强度。1 1 值大的 材料，在同样的变形程度下，真实应力增加得要多力值大时，在 伸长类变形过程中可以使变形均匀化，具有扩展变形区，减少 毛坯的局部变薄和增大极限变形参数的作用。 3 1 5 厚向异性系数r ，值的大小，表明板材在厚度方向变形的难易程度。，值大 于l 时，板材厚度方向上的变形比板平面内的变形困难，值越 大，板材抵抗变薄的能力越强。 表3 1 列出了拉深比与，值之间的关系。 表3 一l 拉深比与，值之间的关系 ，值 o 511 52 拉深比k = 口d2 1 2 2 1 8 2 2 52 5 3 1 6 板面内方向异性系数么r 彳，值的大小表示了板材在不同方向上的性能的差异，彳， 值越大，性能差异越大。 由于彳，值越大，几乎对所有的冲压加工成形的变形和冲压 件质量都不利，所以冲压加工中应尽量选择彳，值低的板材。有 的国家标准已对板材的彳r 值提出了一定的限制，表3 2 列出了 几种常用板材的r 值和彳，的最大值。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表3 2 几种常用板材的，值和彳，的最大值 材料r 4r 4 s r0 0rar 沸腾钢板 1 2 30 9 l 1 5 8 1 1 60 5 1 脱碳沸腾钢板 1 8 81 6 32 5 21 9 2o 5 7 铝镇静钢板1 6 81 1 91 9 01 4 9o 6 0 钛镇静钢板 1 8 51 9 2 2 6 1 2 0 80 3 l 不锈钢板 1 0 21 1 9o 8 1o 8 7o 5 l 3 1 7 x 。和xo 值 工，和j 。，值表示材料在不同的应力状态下的抗拉强度的变 化。在成形件拉深成形中，毛坯在不同的变形时刻所受到的应力 状态也会发生变化。从图3 - 1 可以看出j 。，值大的材料其极限 拉深比l d r 也大。 图中代号材料材料厚度r 值 10 8 a l ( f 级)0 91 1 7 20 8 a 1 ( z f 级)o 92 1 1 30 8 ( z 级) o 9 2 1 l 40 8 ( p 级) 1 o 1 4 5 5 0 8 ( p 级) o 8 1 3 0 6h 6 2 ( 硬)1 oo 8 0 7h 6 2 ( 软)1 0o 7 4 8l 41 0o 6 l 9不锈钢1 10 9 0 表3 3j 一，值与极限拉深比伽的关系 3 2f l d 与冲压成形性的关系 板材在不同的板面内拉应力比值( 口= 0 ，0 ，) 作用下，其 辽宁工程技术大学硕士学位论文 极限应变值也不相同。 在成形件冲压成形过程中，毛坯的大部分区域是在两向拉应 力作用下产生塑性变形的，而且在成形过程中，有的部位的变形 路径( 即板面内两主应力比值) 甚至变形性质都会产生变化。由 于f l d 可以比较准确地衡量两向拉应力范围内( o 口 1 ) 各种变 形路径时的塑性变形极限。 3 3 变形状态图的作用 由于成形件冲压成形时毛坯的变形极为复杂，要准确掌握毛 坯的变形规律并解决某一具体问题必须通过对毛坯进行实际测 量，将毛坯在成形过程中各有关部位的变形性质、变形分布、变 形路径及变形大小等弄清楚，才能比较准确地掌握毛坯的变形规 律如图3 1 所示。 利用s c v 和f l d 可进行毛坯材料的选择、冲模调整、解决破 裂问题、分析起皱问题、冲压生产监控等。 如图3 2 所示为冲压成形过程中的变形性质、变形路径、 和变形程度图。 沙多面铬轻 荔军二： x 5 例3 1 变形分布图图3 2 变形状态图 双向拉应力作用下毛坯变形区的s c v 图的几种类型如图3 3 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 绦晦陲陲 图3 3 双向拉应力作用下的s c v 图类型 包括一向拉应力和一向压应力状态作用的毛坯变形区域的 s c v 图的几种类型如图3 4 所示。 r - 小： r 麓3 b ；j。 、乞 一位置 3 4 变形分析方法 a ) 带法兰零件拉深 ；多： 位置一 b ) 圆筒零件拉深 图3 4 o 】 么川纠& ， t 。 l 。 - 0 1 。心 在进行成形件冲压工艺设计和冲模设计时都要对毛坯的变 形进行分析。以便于确定合适的工艺参数和模具参数。目前常用 的分析方法为坐标网分析法。 护：轷 辽宁工程技术大学硕士学位论文 坐标网分析方法通过测量坐标网随板材变形而变化的网目 尺寸，进行计算，获得有关板材变形和应力的大小、分布等重要 信息，研究毛坯的变形状态、变形路径、破坏时的极限应变、起 皱时毛坯变形的分布等。 3 4 1 坐标网形式 坐标网的形式主要有正方形网目、圆形网目、组合网目和交 错网目等。如图3 5 所示。 口髑圈露 ( 6 ) f ) “ 图3 5 坐标网网目形式 不同形式的网目具有不同的优点，可根据进行变形分析的目 的选择合适的网目形式。 利用坐标网技术可以通过测量毛坯的变形量、变形分布及材 料塑性流动等情况来判断冲压过程中出现的破裂、起皱、材料堆 积、尺寸精度不良等各种质量问题，制定有针对性的措施。 3 4 2 网目制作方法 制作网目的方法有许多种，常用的方法有机械刻线法、化学 腐蚀和电腐蚀法、印相法及印刷法等。 3 4 3 用坐标网进行变形分析的原理 在实验室和生产实际中应用最广的是圆形网目，当制上网目 的毛坯变形时，网目随之产生相同的变形，圆形网目由原来的圆 或变为椭圆( 板面内两应力不相等，口1 时) ，或变为直径更大 的圆( 双向等拉，a = 1 时) ，或变成更小的圆( 双向等压，口= 一1 时) 。测量网目变形后的长轴尺寸见和短轴尺寸以( 图3 6 ) ，可 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 i 计算出板平面内两主应变的大小。用这两个主应变代表该网目中 心点的应变状态 厂 、 l - r - - - 图3 6圆形网目的变形 两主应变的方向就是椭圆的长轴方向和短轴方向，主应变的 数值为： 工程应变疋= 半圳蝴。= 竿川慨( 4 - - 1 ) 真实应变 毛= h 惫。= - n 惫( 4 一z ) 上二式中：而一一圆形网目变形前的原始半径5 见、b 一一圆形网目变形后椭圆的长、短轴半径。 连续测量变形区内某方向或某区域的若干个网目，即可得到 在相应方向或区域内的变形分布情况。并可根据所计算出的两个 主应变计算出测量点的综合应变s ， 毛：屑i 雨。4 吲 j 相应点的板平面内两个主应力大小为 、叫0i叫 吃 q + + 日 胁 国 q q一毛q一岛 2 3 2 3 = l l 盯 盯 辽宁工程技术大学硕士学位论文 式中：o 。、0 ：分别是主应变方向上的主应力，o 。为综合应力。 设材料的应力一应变关系为幂指数硬化模型，即o - t = k 占? ， 则式( 4 4 ) 可表达为 式中：f 为材料常数，刀为材料硬化指数。 、rj 彩 啪 4 d w 科 2 3 2 3 = = q 吒 辽宁工程技术大学硕士学位论文 第四章拉深变形过程计算机数值模拟 4 1 概述 金属塑性加工的变形过程是一个非常复杂的非线性过程，除 了几何非线性，还有复杂的边界接触条件非线性，其变形机理非 常复杂，难以用准确的数学关系式来进行描述。随着金属塑性成 型技术的日益发展，人们对其在成形过程中的变形规律和变形力 学的分析越来越重视。近年来，随着计算机技术的迅速发展，有 限单元法作为一种非常有效的数值计算方法在塑性成型领域得 到广泛应用，已经成为求解金属变形过程中应力、应变、温度等 的分布规律，进行模具受力分析及预测金属成型缺陷的重要工具 之一。 4 2 d y n a f o r m 软件程序功能和算法基础概述 e t a d y n a f o r m 软件包提供了前处理器，求解器和后处理器。 包括e t a d y n a f o r m ，e t a j o bs u b m i t ，e t a p o s t 和e t a 3 d p i a y e r 。 e t a d y n a f o r m 是软件包前处理部分，可用来建立板料成形有限元模 型。它包含用来导入数据的v d a 和i g e s 转换器以及用来转换和创建 模型的工具。如图4 2 所示，表示了冲压件成形过程模拟系统体系 结构图。 l s d y n a 是软件包的求解器。e t a d y n a f o r m 拥有一个完整的 l s d y n a 界面，它语序拥护直接从e t a d y n a f o r m 界面运行l s d y n a 求解器。e t a p o s t 和e t a g r a p h 是软件包的后处理部分。这些程序 用来处理l s - d y n a 分析得到的后处理文件。e t a p o s t 可以从结果文 件中创建云图，变形f l d ，应力分布以及动画等。e t a g r a p h 以图形 化的方式处理相同的后处理文件。如下图4 1 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图4 - - 1e t 8 d y n a f o r m 软件基本构成 图4 - - 2 冲压件成形过程模拟系统体系结构图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 3l s d y n a 程序特点 l s - d y n a 是一个显式非线性分析通用有限元程序，可以求解 各种二维和三维非弹性结构的高速碰撞、爆炸和模压等大变形动 力响应。 ( 1 ) 单元特点新版l s - d y n a 程序的单元类型众多( 四边形单 元、三角形壳单元、膜单元、六面体厚壳单元、三维实体单元、 梁单元和安全带单元、弹簧阻尼单元等) ，各类单元又有多种理 论算法可供选择。这些单元采用l a g r a n g r i a n 列式增量解法具 有大位移、大应变和大转动性能，单点积分并用沙漏粘性阻尼以 克服零能模式，单元计算速度快，节省贮存量，并且精度良好。 ( 2 ) 材料模型l s - d y n a 程序有近百种金属和非金属材料模型 可供选用，如弹性、弹塑性、超弹塑性、泡沫、玻璃、地质、混 凝土、土壤、复合材料、炸药及引爆燃烧、刚性以及自定义材料， 并可考虑材料失效、操作、各向异性、粘性、蠕变、与温度相关、 与应变率相关等性质。 ( 3 ) 接触功能及算法l s d y n a 程序的全自动接触分析功能易 于使用，功能强大，非常有效。l s - d y n a 程序处理接触一碰撞界面 主要采用三种不同的算法，即：节点约束法、对称罚函数法和分 配参数法。第一种算法现在仅用于固连界面，第三种算法仅用于 滑动界面，第二种算法是最常用的算法。 对称罚函数法是一种新的算法，其原理比较简单：每一时步 先检查各从节点是否穿透主表面，没有穿透则对该从节点不作任 何处理。如果穿透，则在该从节点与被穿透主表面之间引入一个 较大的界面接触力，其大小与穿透深度、主片刚度成正比，称为 罚函数值。它的物理意义相当于从节点和被穿透主表面之间放置 一个法向弹簧，以限制从节点为对主表面的穿透。对称罚函数法 辽宁工程技术大学硕士学位论文 是同时再对各主节点处一遍，其算法与从节点一样。对称罚函数 法编程简单，很少激起网格沙漏效应，没有噪音，这是由于算法 具有对称性、动量守恒准确，不需要碰撞和释放条件。罚函数值 大小受到稳定性限制若计算中发生明显穿透，可以放大罚函数 值或缩小时步长来调节。 ( 4 ) 自适应功能l s - d y n a 程序采用动力松驰( d y n a m i c r e l a t i o i l ) 技术，可以进行动力分析前的预应力计算或者进行静 力分析此程序有很强的自适应功能，二维剖分( 轴对称和平面 应变) 可交互式重分网格( r r z o n e ) 、二维和三维网格自动重分、 定义自适应网格细分( a d a p t i v e ) 、质量缩放和子循环等。程序 还有加载、约束、刚体与刚体之间不同方式连接、阻尼、重起动 等功能。 ( 5 ) 时间积分时间积分采用显式中心差分法，这种方法是有 条件稳定的。程序中采用变时步长增量解法，每一时刻的时步长 由当前构形的稳定性条件控制，其算法如下： 先计算每一个单元的极限时步长at ，( 显式中心差分法稳定 性条件允许的最大时步长) ，则下一步长t 取其极小值，即 t = m i n ( t mat m f 。) 式中t o l 一一第j 个单元的极限时步长； 四一一单元数目。 4 4 数值模拟过程 应用e t a l s d y n a 对厚度为2 m m 的板料s p e c 钢的拉深过程 进行了数值模拟。具体模拟过程：首先c a d 建模一e t a d y n a f o r m 前处理( 进行有限元网格剖分一定义接触界面一定义材料性质) ， 之后进行加载和求解( 施加约束、载荷，给定边界条件一设置求 辽宁工程技术大学硕士学位论文 解过程控制参数一选择输出文件及时问控制一调用l s - d y n a 求 解) ，最后进行后处理( l s - p r e p o s t ) 。 本课题建立的有限元模型为下图所示：采取了i 2 对称处理， 减少了计算的时间。 4 4 i c a d 建模 图4 3 有限元模型的建立 模拟过程中使用的是s p e c 轧制板材，厚度为2 m m ，坯料直 径为1 4